CN114446742B - 一种小型化的x射线二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型化的X射线二极管。该X射线二极管包括：光阴极、阳极网、储能电容、同轴输出结构和高压输入接口；所述光阴极固定设置在所述同轴输出结构的一端；所述光阴极与所述阳极网贴合设置；所述阳极网固定设置在所述储能电容的一端；所述储能电容的另一端与所述高压输入接口连接；所述同轴输出结构的另一端为脉冲信号输出端；所述光阴极、所述阳极网、所述储能电容、所述同轴输出结构和所述高压输入接口均置于一锥形体结构中。基于这一结构，本发明提供的X射线二极管相较于现有技术，其尺寸大幅减小，大幅度提高输出带宽，并去除外壳进一步减小体积，适应小型化能谱仪的要求，应用于X射线探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及X射线技术领域，特别是涉及一种小型化的X射线二极管。
背景技术
X射线光谱分析常应用于元素分析、等离子体诊断、深空天文探测等领域，是生物、材料、天文，物理与化学等学科重要的研究工具。X射线能谱仪是用于X射线能谱测量的仪器，具备时间分辨(100ps)的功能。由于在X射线波段缺少类似光栅的高效分光器件，软X射线能谱仪一般通过滤片、平面镜或多层镜组合实现多通道划分，再结合计算机算法实现解谱。
一般的X射线源为各向同性的连续谱(黑体辐射)辐射源，但存在与物质相互作用过程，发射趋向与能量分布各向异性的情况。该条件下的lines-of-sight诊断则尤为重要。对于这种大型的光谱仪而言，由于其体积质量较大，端口固定不易调整，因此只能在固定角度进行探测，难以获取发射谱线的极角分布与赤道角分布。美国NIF装置曾经将Dante大型能谱仪固定在143°和64°极角处进行各项异性的等离子体诊断实验，但是光谱空间全分布必须依靠辐射流体动力学的复杂计算。小型能谱仪例如SENTINEL相对Dante光谱仪的最大优势是能够兼容操控杆，实现沿极地或赤道视线的探测，具备表征各向异性的X射线发射源的能力，是未来能谱探测的发展趋势。
X射线二极管是能谱仪必备的光电探测器件，X射线二极管由平行的阳极网和阴极构成，间隔1.5毫米，保持2500V的高压，形成均匀的强电场。X光光子通过阳极网入射到阴极上，产生光电子，光电子在电场作用下，从阴极移动到阳极，同时在外电路形成感应电流，抵消阴极失去的电子，电流通过信号电缆与示波器(50欧姆负载)连接，示波器将探测器输出的随时间变化的电流转换成随时间变化的电压波形记录下来。对于小型能谱仪，常规的X射线二极管因为体积过大，无法直接集成到小型能谱仪上。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种小型化的X射线二极管，能够实现在小型能谱仪上的应用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种小型化的X射线二极管，包括：光阴极、阳极网、储能电容、同轴输出结构和高压输入接口；
所述光阴极固定设置在所述同轴输出结构的一端；所述光阴极与所述阳极网贴合设置；所述阳极网固定设置在所述储能电容的一端；所述储能电容的另一端与所述高压输入接口连接；所述同轴输出结构的另一端为脉冲信号输出端；所述光阴极、所述阳极网、所述储能电容、所述同轴输出结构和所述高压输入接口均置于一锥形体结构中。
优选地，所述光阴极为由基底和镀膜层形成的单层膜结构。
优选地，所述基底的制备材料为铜或铝。
优选地，制备所述镀膜层的材料包括：镍、金、铝、碳和钛。
优选地，所述阳极网为由材料镍制备得到的网状结构；所述阳极网的光子透过率大于80％。
优选地，所述光阴极的直径与所述同轴输出结构的一端的内径相等。
优选地，所述同轴输出结构的输出阻抗由所述同轴输出结构的内径和所述同轴输出结构的外径确定。
优选地，所述光阴极通过定位片固定设置在所述同轴输出结构的一端；采用连接链将所述同轴输出结构固定在所述锥形体结构中；所述定位片与所述连接链固定连接。
优选地，所述同轴输出结构的另一端外接一信号转接头；
所述同轴输出结构和所述信号转接头采用同一输出座固定。
优选地，所述储能电容包括：阳极筒和外壳；所述阳极筒和外壳间采用绝缘材料填充；
所述阳极网固定设置在所述阳极筒的一端；所述阳极筒的另一端通过电缆与所述高压输入接口连接；
所述储能电容的电容量通过填充的所述绝缘材料的厚度确定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的小型化的X射线二极管，通过将光阴极、阳极网、储能电容、同轴输出结构和高压输入接口置于一锥形体结构中，能够大幅度减少探测器的尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的小型化的X射线二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的X射线二极管的等效电路图；
图3为本发明实施例提供的同轴输出结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的锥形体结构的结构示意图。
符号说明：
1-L16输出头，2-输出芯，3-输出连接针，4-绝缘体，5-密封圈，6-输出座，7-连接链，8-定位片，9-光阴极，10-同轴输出结构，11-高压输入接口，12-阳极网，13-储能电容，14-阳极筒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种小型化的X射线二极管，具有体积小的特点，能够解决现有技术存在的常规的X射线二极管无法直接集成到小型能谱仪上的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的小型化的X射线二极管是一种可以应用于小型能谱仪的X射线二极管，如图1所示，本发明提供的小型化的X射线二极管包括：光阴极9、阳极网12、储能电容13、同轴输出结构10和高压输入接口11。其中，小型化的X射线二极管的等效电路如图2所示。
光阴极9固定设置在同轴输出结构10的一端。光阴极9与阳极网12贴合设置。阳极网12固定设置在储能电容13的一端。储能电容13的另一端与高压输入接口11连接。同轴输出结构10的另一端为脉冲信号输出端。光阴极9、阳极网12、储能电容13、同轴输出结构10和高压输入接口11均置于一锥形体结构中，锥形体的具体结构如图4所示。
为了减小体积，在本发明中将上述提供的小型化的X射线二极管的外形设计为圆柱形。
进一步，为了减小体积，本发明上述采用的光阴极9为由基底和镀膜层形成的单层膜结构。例如，基底的制备材料为铜或铝，但不限于此。制备镀膜层的材料包括：镍、金、铝、碳和钛，但不限于此。
其中，光阴极9基底选择采用以下方法完成制备：
1)、使用Cu和Al作为基底，采用金刚石车床加工。
2)、通过磁控溅射镀膜层，镀膜材料根据能带分别选择，材料包括：Ni，Au，Al，C，Ti等。
阳极网12通过照相制版，之后采用曝光和电子束刻蚀，以解决毛刺，减少高压尖端放电，提高探测器耐压和电场强度，从而提高探测器的时间响应。
为了提高小型化的X射线二极管的探测性能，本发明中光阴极9的直径与同轴输出结构10的一端的内径相等，例如，将光阴极9的直径设置为5mm时，固定有光阴极9的同轴输出结构10的一端的内径也需要设置为5mm。
为了保证光子的通过数量，在本发明中，所采用的阳极网12为由材料镍制备得到的网状结构。阳极网12的光子透过率大于80％。
进一步，为了提高新高输出性能，在本发明中，通过同轴输出结构10的内外径间的关系确定其输出阻抗，例如，当输出阻抗(即特征阻抗)为50Ω，同轴输出结构10的内径为5mm时，依据公式138×log(b/a)＝Zx能够得到同轴输出结构10的外径大约为11.5mm。其中b是外径，a是内径，Zx是阻抗值。
在实际应用过程中，同轴输出结构10的另一端外接一信号转接头，以便于进行信号的传输，其中，同轴输出结构10的一端的内径大于另一端的内径，并按比例进行逐级缩小，以将光阴极9产生的电信号通过一个椎体从5mm的一端传输到SMA转接头(1.7mm)，以适配SMA转接头的射频电路信号输出。
为了进一步提高二极管的性能，本发明采用的储能电容13包括：阳极筒14和外壳。阳极筒14和外壳间采用绝缘材料填充。固定阳极筒14的外壳接地。阳极网12固定设置在阳极筒14的一端。阳极筒14的另一端通过电缆与高压输入接口11连接。储能电容13的电容量通过填充的绝缘材料的厚度确定，即通过调节绝缘材料厚度改变电容的大小。
储能电容13是一个分布电容，主要由阳极筒14来完成，通过在阳极筒14增加一层绝缘材料，然后与外壳的地形成电容器，通过调节绝缘材料和它的厚度改变电容的大小，从而提高探测器的时间分辨。
为了保障高压输入的安全性，本发明中，高压输入接口11包括高压转接头和限流电阻。采用高压输入接口11和真空隔离结构用于提供高压的传输。相对常规X射线二极管减少一定光阴极9的面积，大幅度减少了探测器的尺寸。
其中，真空隔离采用高电阻玻璃和陶瓷材料，以玻璃焊接或陶瓷焊接实现高压传输的真空隔离。(信号转接头(SMA)和高压转接头(SHV)都没有真空隔离功能，由于探测器需要工作在高真空状态，所以，信号输出需要从真空内到真空外，而高压输入需要从真空外到真空内，都需要真空隔离。)
基于上述提供的具体结构，高压电源通过高压电缆与高压输入接口11连接，将高压(2500V)引入二极管内，通过限流电阻与阳极筒14连接，给储能电容13供电，同时在阳极网12与光阴极9之间形成一个很强的电场，当X光照射到光阴极9上后，光阴极9产生光电子，光电子在电场的作用下移动到阳极网12，被阳极网12接收，然后在外电路形成电流，电流从光阴极9通过同轴输出结构10的锥体端到信号SMA转接头(即高压转接头)，然后通过同轴电缆连接到示波器，由示波器记录。其中，限流电阻的作用是当光阴极9和阳极网12被高压击穿时，会产生较大的电流，可能对负载造成严重影响，这时限流电阻可以担负大部分的电压，因为限流电阻(10M欧姆)的阻抗远远大于负载(50欧姆)。其中，高压转接头采用原装的SHV连接器(耐压5000V)结构，限流电阻为一个10千的欧姆，将高电压通过高压转接头和限流电阻连接到阳极筒14，给储能电容13供电。
基于上述给出的结构，如图3所示，光阴极9通过定位片固定设置在同轴输出结构10的一端。采用连接链7将同轴输出结构10固定在锥形体结构中。定位片与连接链7固定连接。同轴输出结构10和信号转接头采用同一输出座6固定。
在具体应用过程中，上述的连接结构可以细化为：
光阴极9固定在定位片8上，定位片8与连接链7连接，固定在输出座6上。输出座6外套一圈密封圈5，连接链7一端连接阴极定位板，另一端与输出连接针3连接。输出连接针3外套绝缘体4，一端接连接链7，另一端连接输出芯2。绝缘体4外围接L16输出头1。
下面提供一个具体实施例，对上述提供的小型化的X射线二极管的具体结构和优点进行说明。
本实施将小型化的X射线二极管的直径设置为35mm，外有三个螺钉开口与两个通孔，一个5mm通孔用于SMA信号输出，一个10mm通孔用于高压输出。
小型化的X射线二极管内采用锥形结构的同轴输出，同轴输出结构10的内径设置为5mm，外径11.5mm，特征阻抗50Ω。
小型化的X射线二极管中的光阴极9采用Al材料的镀膜层，通过磁控溅射镀制在Cu基底上，尺寸为5mm。
阳极Cu基底由金刚石铣床基本加工，再通过高光滑抛光基底表面制成。
小型化的X射线二极管采用Ni阳极网12，通过照相制版，之后采用曝光和电子束刻蚀制成。
高压输入采用原装的SHV连接器(耐压5000V)结构，同时设置了一个10千欧姆的限流电阻，用来保护测量系统。
根据能量谱标定测试，该小型化的X射线二极管满足200eV-1KeV波段，灵敏度高于10-5A/W。
根据能量谱标定测试，小型化的X射线二极管满足2KeV-4KeV波段，灵敏度高于10- 6A/W。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种小型化的X射线二极管，其特征在于，包括：光阴极、阳极网、储能电容、同轴输出结构和高压输入接口；
所述光阴极固定设置在所述同轴输出结构的一端；所述光阴极与所述阳极网贴合设置；所述阳极网固定设置在所述储能电容的一端；所述储能电容的另一端与所述高压输入接口连接；所述同轴输出结构的另一端为脉冲信号输出端；所述光阴极、所述阳极网、所述储能电容、所述同轴输出结构和所述高压输入接口均置于一锥形体结构中；
所述光阴极为由基底和镀膜层形成的单层膜结构；
光阴极基底选择采用以下方法完成制备：
1)、使用Cu和Al作为基底，采用金刚石车床加工；
2)、通过磁控溅射镀膜层，镀膜材料根据能带选择；
阳极网通过照相制版，之后采用曝光和电子束刻蚀形成。
2.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，制备所述镀膜层的材料包括：镍、金、铝、碳和钛。
3.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，所述阳极网为由材料镍制备得到的网状结构；所述阳极网的光子透过率大于80％。
4.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，所述光阴极的直径与所述同轴输出结构的一端的内径相等。
5.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，所述同轴输出结构的输出阻抗由所述同轴输出结构的内径和所述同轴输出结构的外径确定。
6.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，所述光阴极通过定位片固定设置在所述同轴输出结构的一端；采用连接链将所述同轴输出结构固定在所述锥形体结构中；所述定位片与所述连接链固定连接。
7.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，所述同轴输出结构的另一端外接一信号转接头；
所述同轴输出结构和所述信号转接头采用同一输出座固定。
8.根据权利要求1所述的小型化的X射线二极管，其特征在于，所述储能电容包括：阳极筒和外壳；所述阳极筒和外壳间采用绝缘材料填充；
所述阳极网固定设置在所述阳极筒的一端；所述阳极筒的另一端通过电缆与所述高压输入接口连接；
所述储能电容的电容量通过填充的所述绝缘材料的厚度确定。
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2021
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